數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)控銑床控制系統(tǒng)設(shè)計,數(shù)控,銑床,控制系統(tǒng),設(shè)計 大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 目 錄 1 緒論 1 1.1 本課題研究的目的和意義 1 1.2 機(jī)床數(shù)控技術(shù)的概況 1 1.3 國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.4 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 2 1.4.1 性能發(fā)展方向 2 1.4.2 功能發(fā)展方向 3 1.4.3 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 4 2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計 6 2.1 數(shù)控銑床的組成 6 2.2 數(shù)控銑床工作原理 6 2.3 設(shè)計方案： 7 2.3.1 控制系統(tǒng)的選擇 7 2.3.2 主軸變頻單元 8 2.3.3 伺服驅(qū)動單元 8 2.3.4 輸入與輸出裝置 9 2.3.5 輔助裝置 9 2.4 總體框圖 9 3 硬件設(shè)計 10 3.1 數(shù)控裝置的選擇 10 3.2 主軸單元 12 3.2.1 主軸電機(jī)的選擇 12 3.2.2 風(fēng)機(jī)的選擇 13 3.2.3 變頻的選擇 13 3.2.4 主軸控制接口 16 3.2.5變頻器的連接 16 3.3 伺服驅(qū)動單元 17 3.3.1 伺服電機(jī)的選擇 18 3.3.2 伺服驅(qū)動器的選擇 19 3.3.3 伺服單元電源模塊 24 3.3.4 串行進(jìn)給驅(qū)動接口 25 3.3.5 伺服驅(qū)動單元總體連接圖 26 3.4 主控電路的設(shè)計 28 3.5 輸入輸出開關(guān)量 30 3.6 輔助裝置 37 3.6.1 手持單元 37 3.6.2 光柵尺的連接 40 3.6.3 急停與超程解除的設(shè)計 43 3.6.4 其它輔助轉(zhuǎn)裝置 45 四 總結(jié) 46 附 錄1 47 參 考 文 獻(xiàn) 48 致 謝 50 第 II 頁 共Ⅱ頁 1 緒論 1.1 本課題研究的目的和意義 數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)床控制上應(yīng)用越來越廣泛。本課題的主要目的在于學(xué)習(xí)并掌握數(shù)控系統(tǒng)的原理及使用方法。本題目要求在數(shù)控銑床機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，使用數(shù)控系統(tǒng)完成其控制功能，使設(shè)計的數(shù)控銑床能完成基本的加工。主要內(nèi)容包括：數(shù)控系統(tǒng)的選擇、伺服驅(qū)動的連接、主軸電機(jī)的控制和輔助裝的設(shè)計等。 1.2 機(jī)床數(shù)控技術(shù)的概況 機(jī)床數(shù)控技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種機(jī)床自動控制技術(shù)。30多年來，隨著電子器件、計算機(jī)、傳感與檢測、機(jī)械制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，以電子信息技術(shù)為基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、成組技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)，傳感測控技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、液壓氣動技術(shù)、光機(jī)電技術(shù)于一體的數(shù)控技術(shù)得到迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用。使得普通機(jī)械逐漸被高效率、高精度的數(shù)控設(shè)備所替代，從而形成了巨大的生產(chǎn)力，導(dǎo)致了制造業(yè)發(fā)生了根本性變化。數(shù)控技術(shù)已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，其水平高低和數(shù)控機(jī)床擁有量多少是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，是因為它有效地解決了復(fù)雜、精密、小批多變的零件加工問題，能適應(yīng)各種機(jī)械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的需要，使企業(yè)快速響應(yīng)市場需求的能力大大加強(qiáng)，其經(jīng)濟(jì)效益顯著[1]。 1.3 國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 我國數(shù)控技術(shù)起步于20世紀(jì)50年代末期，經(jīng)歷了初期的封閉式開發(fā)階段，“六五”、“七五”期間的消化吸收、引進(jìn)技術(shù)階段，“八五”期間建立國產(chǎn)化體系階段，“九五”期間產(chǎn)業(yè)化段，現(xiàn)已基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)，建立了數(shù)控開發(fā)、生產(chǎn)基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控專業(yè)人才，初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。目前，較具規(guī)模的企業(yè)有廣州數(shù)控設(shè)備有限公司、北京凱恩帝數(shù)控技術(shù)有限責(zé)任公司等。廣州數(shù)控設(shè)備有限公司研制了基于Linux和PC104總線的車床數(shù)控系統(tǒng)GSK980Ti，具有邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算的用戶宏功能、完成小線段NC代碼的高精度刀具路徑規(guī)劃的改進(jìn)刀補(bǔ)機(jī)能、小線段高速加工控制技術(shù)等；研制了以16位CPU進(jìn)行軟件插補(bǔ)、加減速運(yùn)算，以大規(guī)模可編程器件（FPGA、CPLD）進(jìn)行硬件插補(bǔ)、速度平滑處理相結(jié)合的控制器結(jié)構(gòu)，開發(fā)了嵌入式中檔車床數(shù)控系統(tǒng)GSK928TE和GSK980TA。北京凱恩帝數(shù)控技術(shù)有限責(zé)任公司的新一代數(shù)控系統(tǒng)K1000系列采用32位處理器ARM7和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA實現(xiàn)高速、高精度控制；采用日本高分辨率液晶顯示器，全中文操作界面；兼容K100系列功能，且與日本FANUC系統(tǒng)兼容。目前國內(nèi)數(shù)控廠家生產(chǎn)的中檔數(shù)控系統(tǒng)大多采用16/32位處理器與CPLD/FPGA相結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu)，在功能上仿制日本法那科公司早期的產(chǎn)品FANUC 0i系列。雖然最近幾年來我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但大多僅停留在產(chǎn)品的規(guī)格化、機(jī)械部件可靠性的提高、外觀造型與外觀質(zhì)量的改觀等方面，對于數(shù)控系統(tǒng)的核心部分，發(fā)展的步伐相對較小。國產(chǎn)機(jī)床的產(chǎn)量數(shù)控化率只有約13%，與日本、德國和美國等發(fā)達(dá)國家60%-70%的水平差距很大，同時國內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)方面與國外的差距仍很明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口，由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍缺乏市場競爭力，支撐控制高檔數(shù)控機(jī)床的高檔數(shù)控系統(tǒng)仍以國外數(shù)控系統(tǒng)占絕對統(tǒng)治地位。近年來，由于國內(nèi)數(shù)控機(jī)床市場持續(xù)需求旺盛，國外數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的系列產(chǎn)品高中低三檔齊備，在占據(jù)高檔的同時，從未放棄中低檔數(shù)控系統(tǒng)的市場占有份額，相繼推出適宜的中低檔數(shù)控系統(tǒng)，以爭取占領(lǐng)更大的市場，使得這一領(lǐng)域競爭更加激烈。如西門子數(shù)控系統(tǒng)從經(jīng)濟(jì)型的802S到高端全功能的840D可以滿足用戶在數(shù)控應(yīng)用中的各種需要[1]。 1.4 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 1.4.1 性能發(fā)展方向 (1)高速高精高效化、速度、精度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機(jī)床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)床的高速高精高效化已大大提高。 (2)柔性化　包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能覆蓋面大，可裁剪性強(qiáng)，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。 (3)工藝復(fù)合性和多軸化　以減少工序、輔助時間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機(jī)床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達(dá)24軸。 (4)實時智能化　早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實時響應(yīng)的、更現(xiàn)實的領(lǐng)域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補(bǔ)償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的綜合運(yùn)動控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達(dá)到最佳控制的目的[2]。 1.4.2 功能發(fā)展方向 (1)用戶界面圖形化　用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計算機(jī)軟件研制中最困難的部分之一。當(dāng)前INTERNET、虛擬現(xiàn)實、科學(xué)計算可視化及多媒體等技術(shù)也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現(xiàn)。 (2)科學(xué)計算可視化　科學(xué)計算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再局限于用文字和語言表達(dá)，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息。可視化技術(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，如無圖紙設(shè)計、虛擬樣機(jī)技術(shù)等，這對縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本具有重要意義。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，可視化技術(shù)可用于CAD/CAM，如自動編程設(shè)計、參數(shù)自動設(shè)定、刀具補(bǔ)償和刀具管理數(shù)據(jù)的動態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等[3]。 (3)插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化　多種插補(bǔ)方式如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、空間橢圓曲面插補(bǔ)、螺紋插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、2D+2螺旋插補(bǔ)、NANO插補(bǔ)、NURBS插補(bǔ)(非均勻有理B樣條插補(bǔ))、樣條插補(bǔ)(A、B、C樣條)、多項式插補(bǔ)等。多種補(bǔ)償功能如間隙補(bǔ)償、垂直度補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、與速度相關(guān)的前饋補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、帶平滑接近和退出以及相反點(diǎn)計算的刀具半徑補(bǔ)償?shù)取? (4)內(nèi)裝高性能PLC　數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標(biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序?qū)嵗脩艨稍跇?biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯修改，從而方便地建立自己的應(yīng)用程序。 (5)多媒體技術(shù)應(yīng)用　多媒體技術(shù)集計算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，在實時監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等方面有著重大的應(yīng)用價值。 1.4.3 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 (1)集成化　采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐稦PGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運(yùn)行速度。應(yīng)用FPD平板顯示技術(shù)，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可實現(xiàn)超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示技術(shù)，是21世紀(jì)顯示技術(shù)的主流。應(yīng)用先進(jìn)封裝和互連技術(shù)，將半導(dǎo)體和表面安裝技術(shù)融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價格，改進(jìn)性能，減小組件尺寸，提高系統(tǒng)的可靠性。 (2)模塊化　硬件模塊化易于實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標(biāo)準(zhǔn)的系列化產(chǎn)品，通過積木方式進(jìn)行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。 (3)網(wǎng)絡(luò)化　機(jī)床聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無人化操作。通過機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機(jī)床上對其它機(jī)床進(jìn)行編程、設(shè)定、操作、運(yùn)行，不同機(jī)床的畫面可同時顯示在每一臺機(jī)床的屏幕上。 (4)通用型開放式閉環(huán)控制模式　采用通用計算機(jī)組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結(jié)構(gòu)，便于裁剪、擴(kuò)展和升級，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)。閉環(huán)控制模式是針對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型單機(jī)封閉式開環(huán)控制模式提出的。由于制造過程是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復(fù)雜過程，包含諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實現(xiàn)加工過程的多目標(biāo)優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實時加工過程中動態(tài)調(diào)整加工過程變量。加工過程中采用開放式通用型實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計算機(jī)實時智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補(bǔ)償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。 第 55 頁 共 50 頁 2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計 2.1 數(shù)控銑床的組成 數(shù)控銑床的基本組成見圖2.1.1，它由床身、立柱、主軸箱、工作臺、滑鞍、滾珠絲杠、伺服電機(jī)、伺服裝置、數(shù)控系統(tǒng)等組成。 床身用于支撐和連接機(jī)床各部件。主軸箱用于安裝主軸。主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。當(dāng)主軸箱內(nèi)的主軸電機(jī)驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)時，銑刀能夠切削工件。主軸箱還可沿立柱上的導(dǎo)軌在Z 向移動，使刀具上升或下降。工作臺用于安裝工件或夾具。工作臺可沿滑鞍上的導(dǎo)軌在X 向移動，滑鞍可沿床身上的導(dǎo)軌在Y 向移動，從而實現(xiàn)工件在X和Y 向的移動。無論是X、Y 向，還是Z 向的移動都是靠伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)的。伺服裝置用于驅(qū)動伺服電機(jī)，使X、Y、Z三軸能沿滑鞍上的導(dǎo)軌移動。控制器用于輸入零件加工程序和控制機(jī)床工作狀態(tài)?？刂齐娫从糜谙蛩欧b置和控制器供電[4]。 圖2.1.1 數(shù)控銑床的組成 2.2 數(shù)控銑床工作原理 根據(jù)零件形狀、尺寸、精度和表面粗糙度等技術(shù)要求制定加工工藝，選擇加工參數(shù)。通過手工編程或利用CAM 軟件自動編程，將編好的加工程序輸入到控制器?？刂破鲗庸こ绦蛱幚砗螅蛩欧b置傳送指令。伺服裝置向伺服電機(jī)發(fā)出控制信號。主軸電機(jī)使刀具旋轉(zhuǎn)，X、Y 和軸伺服電機(jī)控制刀具和工件按一定的軌跡相對運(yùn)動，從而實現(xiàn)工件的切削。 能夠完成基本的銑削、鏜削、鉆削、攻螺紋及自動工作循環(huán)等工作，可加工各種形狀復(fù)雜的凸輪、樣板及模具零件等。數(shù)控銑床的床身固定在底座上，用于安裝和支承機(jī)床各部件，控制臺上有彩色液晶顯示器、機(jī)床操作按鈕和各種開關(guān)及指示燈?？v向工作臺、橫向溜板安裝在升降臺上，通過縱向進(jìn)給伺服電機(jī)、橫向進(jìn)給伺服電機(jī)和垂直升降進(jìn)給伺服電機(jī)的驅(qū)動，完成X、Y、Z坐標(biāo)的進(jìn)給。電器柜安裝在床身立柱的后面，其中裝有電器控制部分。 2.3 設(shè)計方案： 2.3.1 控制系統(tǒng)的選擇 目前的控制系統(tǒng)有基于PLC的控制系統(tǒng)，基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)等控制系統(tǒng)。 基于PLC的控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：（1）實時性強(qiáng)，由于控制器產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)是基于控制為前提，信號處理時間短，速度快?；谛盘柼幚砗统绦蜻\(yùn)行的速度，PLC經(jīng)常用于處理工業(yè)控制裝置的安全連鎖保護(hù)。更能滿足各大領(lǐng)域大、中、小型工業(yè)控制項目。（2）高可靠性，所有的I/O輸入輸出信號均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與控制器內(nèi)部電路之間電氣上隔離。各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10-20ms。各模塊均采用屏蔽措施，以防止噪聲干擾。采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。對采用的元器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。良好的自診斷功能，一旦電源或其它軟、硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取有效措施，以防止故障擴(kuò)大。（3）系統(tǒng)配置簡單靈活，控制器產(chǎn)品種類繁多，規(guī)模可分為大、中、小等。滿足控制控制功能需要的前提下，I/O卡件可靈活組合。（4）有豐富的I/O卡件。（5）質(zhì)優(yōu)價廉，性價比高。（6）安裝簡單，維修方便[5]。 基于單片機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)：運(yùn)用單片機(jī)控制方案，單片機(jī)雖然有一個五臟俱全的微計算機(jī)，但由于本身無自開發(fā)能力，必須借助開發(fā)工具來開發(fā)應(yīng)用軟件，以及對硬件系統(tǒng)進(jìn)行診斷。另外，單片機(jī)內(nèi)的ROM比較小，所以在設(shè)計中系統(tǒng)必須在外面配置EPROM電路和擴(kuò)展電路，所以在銑床控制系統(tǒng)中運(yùn)用該方案必須完成(1)硬件電路的設(shè)計、組裝、調(diào)試；（2）應(yīng)用軟件的編制、調(diào)試；(3)應(yīng)用軟件的鏈接調(diào)試、固化、脫機(jī)運(yùn)行。依據(jù)單片機(jī)目前的發(fā)展?fàn)顩r，該方案的優(yōu)點(diǎn)是：(1)成本較低。由于現(xiàn)在單片機(jī)的價格相對都比較低，而且外圍電路的元器件價格也不高，所以整體設(shè)計起來，成本比較低。(2)可以對外部存儲容量根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計可以相對比較靈活。(3)由于現(xiàn)存有許多已經(jīng)設(shè)計很完善的子程序，在系統(tǒng)軟件設(shè)計中可以直接調(diào)用，減少較大工作量。其缺點(diǎn)為：(1)系統(tǒng)硬件設(shè)計相對比較復(fù)雜，運(yùn)用該方案，該系統(tǒng)硬件設(shè)計包含擴(kuò)展電路部分和系統(tǒng)配置電路部分，所以該系統(tǒng)電路設(shè)計工作量相對較大，影響系統(tǒng)開發(fā)的時間。(2)系統(tǒng)的抗干擾能力相對較差，在系統(tǒng)設(shè)計中，雖然注意了芯片、器件選擇、去耦濾波、電路板的布線，通道隔離以及屏蔽。但由于工廠的條件比較差，很難保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。(3)系統(tǒng)需要自己設(shè)計電源，而且不能保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。(4)維護(hù)維修相對比較麻煩，維修需要的時間也相對較長。 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱，計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是用計算機(jī)控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計算機(jī)存儲器中存儲的控制程序執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機(jī)系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序、輸入裝置、輸出裝置、計算機(jī)數(shù)控裝置、可編程邏輯控制器、主驅(qū)動裝置和進(jìn)給（伺服）驅(qū)動裝置（包括檢測裝置）等組成。CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。由于使用了計算機(jī)，系統(tǒng)具有了軟件功能，又用PLC代替了傳統(tǒng)的機(jī)床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)控功能，使用維護(hù)也方便，并具有與上位機(jī)連接及進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊的功能[6,7]。 在此次數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的設(shè)計中，我們選擇數(shù)控系統(tǒng)為其控制系統(tǒng)。 2.3.2 主軸變頻單元 數(shù)控銑床是一種靈活、高效能的自動化機(jī)床，它較好地解決了復(fù)雜、精密、小批多變的零件加工問題。為了實現(xiàn)主軸在一定范圍內(nèi)的無級變速，要選擇一個主軸變頻器來控制主軸電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及無機(jī)變速。 2.3.3 伺服驅(qū)動單元 數(shù)控銑床除了主軸的旋轉(zhuǎn)之外，還有工作臺沿X軸正負(fù)方向的移動，Y軸正負(fù)方向的移動，Z軸方向上下移動。為了實現(xiàn)這些運(yùn)動，我們的選擇伺服電機(jī)來控制其運(yùn)動，為了能實現(xiàn)伺服電機(jī)能按著正確的方向移動且精確移動。我們得選擇伺服驅(qū)動器來控制伺服電機(jī)的運(yùn)動。所以在伺服驅(qū)動單元中我們應(yīng)選擇伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器。 2.3.4 輸入與輸出裝置 為了方便連接和提高可靠性，我們得選擇輸入輸出裝置，輸入接線端子板提供NPN和PNP兩種類型開關(guān)量信號輸入，輸出繼電器板集成八個單刀投繼電器和兩個雙刀投繼電器。輸入、輸出端子板一般是和數(shù)控裝置配套的。 2.3.5 輔助裝置 一個完整的數(shù)控銑床控制系統(tǒng)除了上面那些單元外，還必須包括一些輔助裝置，如冷卻裝置、照明電路、控制變壓器、急?；芈贰㈦姽耧L(fēng)扇等輔助裝置。 2.4 總體框圖 數(shù)控裝置與各部分之間的連接如圖2.4.1 圖 2.4.1 總體框圖 3 硬件設(shè)計 3.1 數(shù)控裝置的選擇 在選擇數(shù)控機(jī)床時，隨著市場需求多樣化，機(jī)床制造商往往提供同一種機(jī)床可以配置多種數(shù)控系統(tǒng)的選擇、數(shù)控系統(tǒng)中多種選擇功能的選擇。一般機(jī)床制造廠商提供的機(jī)床配置的數(shù)控系統(tǒng)分為主流的系統(tǒng)及可適應(yīng)的系統(tǒng)，主流系統(tǒng)對它來說相對技術(shù)成熟性要好一些，但對使用用戶來說又另有要求，在可供選擇的系統(tǒng)中性能高低差別很大，直接影響到設(shè)備價格的構(gòu)成，因此不能片面的追求高水平、新系統(tǒng)。而應(yīng)該以滿足主機(jī)性能為主，對系統(tǒng)性能和價格等因素做一個綜合的分析，選用合適的系統(tǒng)。目前數(shù)控系統(tǒng)種類、規(guī)格極其繁多，世界上比較著名的有：日本FANUC、德國SINUMERIK、法國NUM、意大利FIDIA、西班牙FAGOR、美國A-B，各大機(jī)床制造商都有自己的一些系統(tǒng)，比如：MAZAK、OKUMA等，國內(nèi)的航天集團(tuán)，機(jī)電集團(tuán)、華中理工大學(xué)、遼寧藍(lán)天系列、南京大方集團(tuán)、北方凱奇等，每家公司都有自己一系列各種規(guī)格產(chǎn)品[8]。 用戶選擇系統(tǒng)的基本原則是：性能價格比好、以后使用維修方便、系統(tǒng)的市場壽命等。數(shù)控系統(tǒng)中除基本功能以外還有很多選擇功能，對配在機(jī)床上的系統(tǒng)，由于機(jī)床使用基本要求所需數(shù)控系統(tǒng)選擇功能已由制造商選配以外，用戶可以根據(jù)自己的生產(chǎn)管理、測量要求、刀具管理、程序編制要求等，額外再選擇一些功能列入訂貨單中。經(jīng)過比較我們選擇“世紀(jì)星”系列數(shù)控系統(tǒng)HNC-21。 “世紀(jì)星”系列數(shù)控系統(tǒng)HNC-21采用先進(jìn)的開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè)PC，配置8.4//或10.4//彩色液品顯示屏和通用工程面板，集成進(jìn)給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內(nèi)嵌式PLC接口于一體，采用電子盤程序存儲方式以及軟驅(qū)、DNC、以太網(wǎng)等程序交換功能。具有低價格、高性能、配置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、易于使用、可靠性高的特點(diǎn)：最大聯(lián)動軸數(shù)為4 軸?？蛇x配各種類型脈沖式、模擬式交流伺服驅(qū)動器或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器以及HSV-11電源模塊系列。 配置標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床工程面板，不占用PLC。 操作面板的顏色、按鍵名稱可按用戶要求自己定制。配置40路輸入接口和32路功率放大光電隔離開關(guān)量輸出接口、手持單元接口、模擬主軸控制接口與編碼器接口，以及遠(yuǎn)程I/O板口[8]。 采用 ” 彩色液晶顯示器（分辨率為640×480），全漢字的操作界面，具有故障診斷和報警設(shè)置，多種圖形加工軌跡顯示和仿真功能。操作簡便，易于掌握和使用。采用國際標(biāo)準(zhǔn)G代碼編程，與各種流行的CAD/CAM自動編程系統(tǒng)均兼容，具有直線、圓弧、螺旋線插補(bǔ)。有固定循環(huán)、旋轉(zhuǎn)、縮放、鏡像、刀具、補(bǔ)償、宏程序等功能。小線段連續(xù)加工功能，特別適合于復(fù)雜模具零件加工。加工斷點(diǎn)保存和恢復(fù)功能， 為用戶安全、方便使用提供保證。反向間隙和雙向螺距誤差補(bǔ)償功能，有效提高加工精度。內(nèi)置以太網(wǎng)、RS232接口，易于實現(xiàn)機(jī)床聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)外形尺寸為420×310×110mm，體積小巧、結(jié)構(gòu)牢靠、造型美觀。主要應(yīng)用于車、車削中心等數(shù)控機(jī)床的控制[9]。數(shù)控裝置背面接口如圖3.1.1所示，引腳定義如表3.1.1 圖3.1.1 數(shù)控裝置接口 表 3.1.1 數(shù)控裝置引腳 接口 作用 接口 作用 XS1 電源接口 XS2 外接PC鍵盤接口 XS3 以太網(wǎng)接口 XS4 軟驅(qū)接口 XS5 RS232接口 XS6 遠(yuǎn)程I/O板接口 XS8 手持單元接口 XS9 主軸控制接口 XS10、XS11 輸入開關(guān)量接口 XS20、XS21 輸出開關(guān)量接口 XS30-XS33 模擬式、脈沖式（ 含步進(jìn)式 ）進(jìn)給軸控制接口 XS40-XS43 串行式HSV-11型伺服軸控制接口 3.2 主軸單元 為了實現(xiàn)主軸在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級變速，主軸單元應(yīng)包括主軸變頻器、主軸電機(jī)，為了保證主軸電機(jī)的溫度不過于太高，還要選擇主軸風(fēng)扇電機(jī)。數(shù)控銑床是一種靈活、高效能的自動化機(jī)床，它較好地解決了復(fù)雜、精密、小批多變的零件加工問題。合理地進(jìn)行數(shù)控銑床主軸的控制，對提高銑床的加工精度和生產(chǎn)效率都十分重要。數(shù)控銑床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)也叫主傳動系統(tǒng)，是完成主運(yùn)動的動力裝置部分。主軸驅(qū)動系統(tǒng)通過該傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主軸上安裝的刀具或工件的切削力矩和切削速度,配合進(jìn)給運(yùn)動,加工出理想的零件。它是零件加工的成型運(yùn)動之一，它的精度對零件的加工精度有較大的影響。機(jī)床的主軸驅(qū)動和進(jìn)給驅(qū)動有較大的差別，機(jī)床主軸的工作運(yùn)動通常是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，不像進(jìn)給驅(qū)動需要絲桿或者其他直線運(yùn)動裝置作往復(fù)運(yùn)動，數(shù)控機(jī)床通過主軸的回轉(zhuǎn)與進(jìn)給實現(xiàn)刀具與工件的相對切削運(yùn)動。為滿足數(shù)控銑床對主軸驅(qū)動的要求，變頻器必須有以下性能：（1）寬調(diào)；（2）低速運(yùn)行時，有較大力矩輸出；（3）加減速時間短；（4）過載能力強(qiáng)；（5）快速響應(yīng)主軸電機(jī)快速正反轉(zhuǎn)以及加減速[11,12]。 3.2.1 主軸電機(jī)的選擇 主軸電機(jī)驅(qū)動主軸的旋轉(zhuǎn)，在數(shù)控銑床中主軸旋轉(zhuǎn)為其主運(yùn)動，我們設(shè)計的是普通數(shù)控銑床，功率要求不高，所以在這里我們選擇北京超同步科技有限公司制造的超同步GTB—43P7ZBB15—H5GB電機(jī)，GTB系列主軸電機(jī)是北京超同步科技有限公司自主研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)。并走向國際市場的，具有國際領(lǐng)先水平的新型交流感應(yīng)伺服主軸電機(jī)。 電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、性能一流、外形美觀、效率高、廣泛運(yùn)用于機(jī)械制造的各個領(lǐng)域，具有良好的性能價格比。該廠品符合國家有關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和國際IEC、CE的標(biāo)準(zhǔn)。有最新的專利設(shè)計，包括外形美觀、結(jié)構(gòu)精巧、封閉是散熱風(fēng)道、噪音低、效率高、優(yōu)化節(jié)能設(shè)計。有標(biāo)準(zhǔn)的主軸功能，可以實現(xiàn)低速大扭矩切削、高速恒功率切削、零速主軸鎖定、準(zhǔn)?？刂?、C軸功能、剛性攻絲。內(nèi)置磁速度傳感器，可以實現(xiàn)速度、位置閉環(huán)、可靠性高、故障率低、提高電機(jī)的動平衡精度。 GTB—43P7ZBB15—H5GB電機(jī)的技術(shù)規(guī)格如3.1.2表所示： 表3.1.2 GTB—43P7ZBB15—H5GB技術(shù)規(guī)格 型號 額定功率 （KW） 額定電壓 （V） 額定電流 （A） 額定轉(zhuǎn)矩 （N.m） 額定頻率 （HZ） GTB—43P7ZBB15—H5GB 3.7 310/380 9.8/8 23.6 50 額定轉(zhuǎn)速 (r/min) 極數(shù) （P） 最高轉(zhuǎn)速 （r/min） 轉(zhuǎn)動慣量 （Kg.m2） 風(fēng)機(jī)功率 （W） 風(fēng)機(jī)電壓 （V） 1500 4 8000 0.0134 75 380 3.2.2 風(fēng)機(jī)的選擇 根據(jù)上面選擇的主軸電機(jī)，與其相適用的風(fēng)機(jī)的功率為75W，為小功率的風(fēng)機(jī)。在這里我們選擇北京新華通風(fēng)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DZW50—1 T35—11型低噪聲軸流屋頂風(fēng)機(jī)。DZW50—1型系列低噪聲軸流屋頂風(fēng)機(jī)是一種新型高效、節(jié)能、低噪聲屋頂風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)由于采用寬大中變截面扭曲機(jī)翼葉片、高輪轂比、圓柱型輪轂，低風(fēng)阻電機(jī)支架以及最佳葉柵參數(shù)。因而空氣動力性良好。外形設(shè)計新穎、獨(dú)具一格。風(fēng)量大、風(fēng)壓高、噪聲低、耗電少。 3.2.3 變頻的選擇 由于設(shè)計的是普通型數(shù)控銑床，所以所選的變頻器應(yīng)根據(jù)主軸電機(jī)功率和按結(jié)構(gòu)簡單、容易安裝、體積小、經(jīng)濟(jì)實惠和安全等要求來選擇主軸變頻器。上面所選擇的主軸電機(jī)的功率是3.7KW，根據(jù)以上要求我們選擇CIMR-JB2A0018 0.75KW安川簡易型變頻器，安川變頻器具有功能齊全、方便操作、保護(hù)機(jī)器、結(jié)構(gòu)簡單、便于調(diào)試和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)定時可簡單的調(diào)出最低限度的所需參數(shù)，進(jìn)行設(shè)定和變更。Swing PWM方式可抑制噪音和漏電流，減少刺耳的金屬噪音。全方位、全自動轉(zhuǎn)矩提升功能，可根據(jù)負(fù)載的變動自動調(diào)節(jié)到最合適的電壓，輸出最佳轉(zhuǎn)矩。具有重試功能，即使變頻器檢測出故障，自動診斷后會自動復(fù)位，不停止電機(jī)即可重新啟動運(yùn)行。更改了出廠設(shè)定的參數(shù)可通過校驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行確認(rèn)。便于在試運(yùn)行等情況時確認(rèn)參數(shù)設(shè)定值。為穩(wěn)定作業(yè)提供支持，在全范圍、全自動的轉(zhuǎn)矩提升運(yùn)行模式下，不管是加減速運(yùn)行還是勻速運(yùn)行，都能產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩，因此機(jī)械能順利啟動。有完善的制動功能，過勵磁制動功能在無電阻器的情況下也能實施緊急制動，所有機(jī)型都內(nèi)置制動晶體管，只要加裝制動電阻器就能得到更大的制動力。即使負(fù)載或電源波動甚至瞬時停電時仍能繼續(xù)運(yùn)行，具有完善的防失速功能，可有效防止電機(jī)失速，不靠速度傳感器也能使自由運(yùn)行狀態(tài)的電機(jī)輕松啟動的速度搜索功能和瞬停繼續(xù)運(yùn)行功能，可防止變頻器因瞬時行的異常而跳閘。完善的保護(hù)功能，沖擊電流抑制回路為標(biāo)準(zhǔn)配備，電源品質(zhì)不良時能防止變頻器故障。能適用范圍更廣的附件?？杀O(jiān)控變頻器運(yùn)行的時間，通過維護(hù)監(jiān)視可以確認(rèn)冷卻風(fēng)扇和電解電容器等元器件的使用壽命，為維護(hù)提供支持[13]。其相關(guān)技術(shù)規(guī)格如3.1.3表所示： 表3.1.3 CIMR-JB2A0018變頻器技術(shù)規(guī)格 型號 額定輸入 電流（A） 額定輸出 電流（A） 最大輸出 電壓（V） 額定頻率 （HZ） 頻率控制范圍（HZ） CIMR-JB2A0018 18.5 17.5 310 50/60 0.01-400 允許電壓波動 允許頻率波動 加減速時間（S） 速度控制范圍 標(biāo)準(zhǔn)適用用電機(jī)容量（KW） 載波頻率 （KHZ） -15—+10% ±5% 0-6000 1：20—1:40 3.7 2 主要的控制功能 順勢停電再啟動、速度搜索、加減速時間切換冷卻風(fēng)扇ON/OFF功能、滑差補(bǔ)償、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、頻率跳躍頻率指令上下限設(shè)定、啟動停止時直流制動、過勵磁制動、故障重試等。 保護(hù)功能 電機(jī)保護(hù)、瞬時過電流保護(hù)、過載保護(hù)、低電壓保護(hù)瞬時停電補(bǔ)償、散熱片過熱保護(hù)、制動電阻器過熱保護(hù)、防止失速、接地短路保護(hù)、充電中顯示。 CIMR-JB2A0018變頻器接口如圖3.2.1，其引腳定義如表3.1.4 圖 3.2.1變頻器接口 表 3.1.4 CIMR-JB2A0018變頻器引腳定義 端子符號 端子名稱 端子的功能 R/L1 主回路電源輸入 連接商用電源的端子 S/L2 T/L3 U/T1 頻器輸出 連接電機(jī)的端子 V/T2 W/T3 B1 制動電阻器/制動電器單元連接 是連接制動電阻器/制動電器單元的端子 B2 S1 多功能輸入選擇1 出廠設(shè)定：閉：正轉(zhuǎn)運(yùn)行 開：停止 S2 多功能輸入選擇1 出廠設(shè)定：閉：反轉(zhuǎn)運(yùn)行 開：停止 S3 多功能輸入選擇1 出廠設(shè)定：外部故障 S4 多功能輸入選擇1 出廠設(shè)定：故障復(fù)位 S5 多功能輸入選擇1 出廠設(shè)定：多段速指令1 SC 多功能輸入選擇公共點(diǎn) 控制公共點(diǎn) AC 頻率指令公共點(diǎn) 0V MA a接點(diǎn)輸出 出廠設(shè)定：故障 繼電器輸出： DC：30V，10mA-1A AC：250V10mA-1A MB B接點(diǎn)輸出 出廠設(shè)定：故障 MC 接點(diǎn)輸出公共點(diǎn) AM 模擬量監(jiān)視輸出 出廠設(shè)定：輸出頻率 DC：0-10V AC 監(jiān)視公共點(diǎn) 0V 3.2.4 主軸控制接口 變頻器的調(diào)速要經(jīng)過數(shù)控裝置的XS9 主軸控制接口輸入可變電壓。XS9 主軸控制接口，包括主軸速度模擬電壓指令輸出和主軸編碼器反饋輸入，主軸控制接口如圖3.2.2 圖 3.2.2主軸控制接口 3.2.5變頻器的連接 變頻器與數(shù)控裝置的聯(lián)系通常包括：（1）數(shù)控裝置給變頻器的正反轉(zhuǎn)信號；（2）數(shù)控裝置給變頻器的速度或頻率信號，可以通過通訊給定或模擬給定；（3）變頻器給數(shù)控裝置的故障等狀態(tài)信號。所有關(guān)于對變頻器的操作和反饋均可在數(shù)控面板進(jìn)行編程和顯示。通過變頻器內(nèi)部關(guān)于輸入信號與設(shè)定頻率的輸入輸出特性曲線的設(shè)置，數(shù)控裝置就可以方便而自由地控制主軸的速度。該特性曲線必須涵蓋電壓/電流信號、正/反作用、單/雙極性的不同配置，以滿足數(shù)控銑床快速正反轉(zhuǎn)、自由調(diào)速、變速銑削的要求[14,15]。變頻器的連接如圖3.2.3 其工作原理：變頻器的的R、S、T和風(fēng)機(jī)U、V、W與主電路中的U11、V11、W11連接，給主軸變頻器和風(fēng)機(jī)供電，經(jīng)主軸變頻器輸出電壓到主軸電機(jī)，主軸的正轉(zhuǎn)、反正由繼電器的得失電控制并且構(gòu)成互鎖。當(dāng)KA4線圈得電時KA4常開觸點(diǎn)器閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，此時主軸正轉(zhuǎn)。當(dāng)KA5線圈得電時KA5常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，此時主軸反轉(zhuǎn)。當(dāng)主軸變頻器出現(xiàn)故障時，變頻器輸出報警到X3.0，同時主軸輸出速度為零。當(dāng)主軸需要調(diào)速時，由數(shù)控裝置輸出可變電壓到主軸頻率接口，從而達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的。 圖 3.2.3變頻器的接線圖 3.3 伺服驅(qū)動單元 伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動構(gòu)件及執(zhí)行部件組成。伺服驅(qū)動器是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，是伺服電機(jī)的控制部分。伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。對伺服系統(tǒng)的基本要求：位移進(jìn)度高（輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度）、穩(wěn)定性好（系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)）、調(diào)速范圍寬（數(shù)控銑床要求電動機(jī)所能提供的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比）、響應(yīng)快速并無超調(diào)（為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，在啟動、制動時要求加速足夠大，以縮短伺服系統(tǒng)的過度過程時間，減少輪廓過度誤差）[15]。 3.3.1 伺服電機(jī)的選擇 因為設(shè)計的是普通數(shù)控銑床，加工的是一般零件，根據(jù)經(jīng)濟(jì)實惠、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動慣量小、過載能力強(qiáng)、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。我們選擇北京中創(chuàng)天勤科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的130系列伺服電機(jī)。130系列伺服電機(jī)在機(jī)器人軌跡控制、數(shù)控機(jī)床位置控制等，在加工機(jī)械、FA機(jī)械、醫(yī)療機(jī)械、機(jī)器人、自動組裝線、半導(dǎo)體制造、部件組裝和紡織機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用。其具有體積小重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、精度高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的性價比，在業(yè)內(nèi)極具優(yōu)勢，完全可以代替進(jìn)口產(chǎn)品。根據(jù)實際需求我們選擇130ST—M015015為X、Y軸伺服進(jìn)給電機(jī)，由于Z軸方向需要承受更大的載荷，所以選擇130ST—M10025為Z軸伺服電機(jī)。伺服電機(jī)的技術(shù)規(guī)格如3.3.1表所示： 表3.3.1 130ST—M015015 技術(shù)規(guī)格 型號 130ST—M015015 130ST—M015015 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 2000 3000 額定功率（KW） 2 2.5 額定轉(zhuǎn)矩（N.m） 15 10 額定電流（A） 9.5 10 額定電壓（V） 220 220 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 1500 2500 峰值力矩（N.m） 30 25 電勢系數(shù)(V/1000r/min) 112 69 力矩系數(shù)（N.m/A） 1.58 1.0 轉(zhuǎn)子慣量（Kg.m2） 2.77×10-3 1.94×10-3 繞組電阻（Ω） 1 0.724 繞組電感（mH） 4.45 2.64 電機(jī)繞組插座 繞 組 引 線 U V W PE 插 座 編 號 2 3 4 1 編碼器插座 信號引線 5 V 0 V A + A - B+ B- Z+ Z- U+ U- V+ V- W+ W- PE 插座編號 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 3.3.2 伺服驅(qū)動器的選擇 出于對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求以及結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實惠和上面所選電機(jī)型號等要求在這里我們選擇華中數(shù)控HSV-11D25伺服驅(qū)動器，HSV-11D25是以矢量控制為理論基礎(chǔ)，16為單片機(jī)為控制核心，高效率的大功率IGBT電壓型逆變器為驅(qū)動功放，永磁同步電機(jī)為驅(qū)動對象的高性能數(shù)字位置伺服模塊。由于運(yùn)用矢量控制原理和柔性控制技術(shù)，使得HSV-11D25伺服模塊結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試容易，控制靈活，維護(hù)方便，體積小等優(yōu)點(diǎn)。其控制簡單、靈活，通過修改伺服驅(qū)動器的參數(shù)，可對伺服驅(qū)動器系統(tǒng)工作方式及內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行修改，以適應(yīng)不同的適用環(huán)境和要求。狀態(tài)顯示齊全，HSV-11D25伺服驅(qū)動器設(shè)置了一系列狀態(tài)顯示信息，方便客戶在調(diào)試、運(yùn)用過程中瀏覽伺服驅(qū)動器的相關(guān)參數(shù)，同時它也提供了一系列的故障診斷信息。有寬調(diào)速比。體積小易于安裝，HSV-11D25伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，非常易于安裝、拆卸[16,17]。HSV-11D25技術(shù)規(guī)格如表3.3.2所示： 表 3.3.2 HSV-11D25技術(shù)規(guī)格 使用電源 主電源 DC300V 控制電源 一相AC220V 輸出 額定電流 25A 主回路 大功率IGBT、正弦波PWM驅(qū)動 速度 控制 精度 和 特性 負(fù)載波動 額定轉(zhuǎn)速時≤0.002% 最低轉(zhuǎn)速時≤2% 電網(wǎng)電壓波動 額定轉(zhuǎn)速時≤0.002% 最低轉(zhuǎn)速時≤4% 瞬時最大轉(zhuǎn)速波動率 額定轉(zhuǎn)速時≤0.05% 最低轉(zhuǎn)速時≤6% 速度控制范圍 ＞1：3000 位置控制精度 ±1pulse 適配電機(jī) 永磁同步電動機(jī)(2，4，6，8極) 傳感器類型 帶轉(zhuǎn)子位置的復(fù)合式光電編碼器 最高轉(zhuǎn)速 2000轉(zhuǎn)/分 保護(hù)功能 反饋斷線、過流、過熱、欠壓、短路等五種硬件故障以及若干軟件保護(hù) 運(yùn)行方式 點(diǎn)動、點(diǎn)位、直線、增量(插補(bǔ))和返回參考點(diǎn)等 調(diào)試方式 可選鍵盤數(shù)碼管顯示模塊，用于開、閉環(huán)調(diào)試，參數(shù)修改，接線診斷等 用戶可調(diào)整 參 數(shù) 位置環(huán)增益、速度環(huán)增益、積分時間常數(shù)、加減速時間、反向間隙值等幾十種參數(shù) 伺服驅(qū)動器的外形如圖3.3.1 圖 3.3.1伺服驅(qū)動器的外形如圖 HSV-11D25伺服驅(qū)動器引腳如圖3.3.2，其相關(guān)引腳定義如表3.3.3所示。 圖 3.3.2 HSV-11D25伺服驅(qū)動器引腳 表 3.3.3 HSV-11D25伺服驅(qū)動器引腳定義 信號代號 名稱 位置 描述 P、N 直流總線 接線柱 1、2 電源模塊提供直流300V電壓 U、V、W 電機(jī)電源線 XT-1、2、3 伺服到電機(jī)的驅(qū)動電源信號 OH1、OH2 電機(jī)過熱保護(hù) XT-4、5 電機(jī)過熱保護(hù)輸出 PE 接地線 XT-6 220A 200B 故障連鎖 T2-1、2 最大容量1A O1 故障輸出信號 T1-1 總故障報警信號，低電平有效 I3 機(jī)械參考點(diǎn)開關(guān)信號 T1-3 作參考點(diǎn)開關(guān)信號，低電平有效，在模擬輸入方式時，作為換擋開關(guān)，低電平時，輸入最高轉(zhuǎn)速為200r/min，高電平時為2000r/min I2 減電流控制 T1-4 將電流指令輸出最大幅值減半，低電平有效 I1 輸入使能控制 T1-5 在模擬量或脈量輸入時，控制PWM信號的開關(guān)，低電平有效 24V 外部提供DC24V T1-6 外部直流24V，可提供100mA電流 COM 外部24V電源地 T1-7 AIN+ 模擬量正輸入端 X2-6 伺服在模擬輸入方式時，接收±10V輸入 AIN- 模擬量負(fù)輸入端 X2-1 RXD 模塊串口接收端 X2-3 RS232串口數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD TXD 模塊串口發(fā)送端 X2-2 RS232串口數(shù)據(jù)發(fā)送端RXD GND 信號地 X2-5 RS232串口信號地 P5V 電機(jī)碼盤信號 J2-11、12、13 電機(jī)碼盤信號 PA J2-2 PB J2-3 PZ J2-4 PU J2-5 PV J2-6 PW J2-7 /PA J2-15 /PB J2-16 /PZ J2-17 /PU J2-18 /PV J2-19 /PW J2-20 GND J2-1、8、9、10、（14） 屏蔽 J2-（14） M5V 光柵尺信號 J1-11、12、13 光柵尺反饋信號 MA J1-2 MB J1-3 MZ J1-4 /MA J1-5 /MB J1-6 /MZ J1-17 GND J1-1、8、9、10、（14） 屏蔽 J1-（14） CP+ 脈沖量接口 J1-2 脈沖量輸入信號 3.3.3 伺服單元電源模塊 根據(jù)選擇的華中數(shù)控HSV-11D25伺服驅(qū)動器，在這里選擇華中數(shù)控HSV-11P075電源模塊，HSV11-P075伺服單元電源模塊，采用全橋整流和微處理器控制，具有軟起動、能耗制動及各種保護(hù)功能，其可靠性高，使用靈活方便，體積小，便于安裝等特點(diǎn)[18]。HSV-11P075技術(shù)規(guī)格如3.3.4表所示： 表 3.3.4 HSV-11P075技術(shù)規(guī)格 電源 主電源 3相 AC 200V 50HZ-60HZ 控制電源 單相 AC 220V 50HZ-60HZ 輸出容量 7.5KVA 輸出電壓 DC 260V-345V 主回路型式 全橋整流 制動功率 3KW 保護(hù)功能 本模塊設(shè)置有交流欠壓、過壓、交流等若故障顯示 HSV11-P075伺服單元電源模塊引腳如圖3.3.3 圖 3.3.3 電源模塊引腳圖 3.3.4 串行進(jìn)給驅(qū)動接口 在伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，數(shù)控裝置的串行進(jìn)給驅(qū)動接口和伺服驅(qū)動器要進(jìn)行模擬量的輸入輸出。XS40、 XS41、XS42、XS43是串行進(jìn)給驅(qū)動接口，串行進(jìn)給驅(qū)動接口是與華中數(shù)控HSV-11系列交流伺服驅(qū)動裝置連接的專用接口，它的特點(diǎn)是連接簡便、抗干擾能力強(qiáng)、無漂[19]。其接口如圖3.3.4 圖 3.3.4 串行進(jìn)給驅(qū)動接口 3.3.5 伺服驅(qū)動單元總體連接圖 伺服驅(qū)動器與其它部件的聯(lián)系通常包括：（1）伺服驅(qū)動器與數(shù)控裝置間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收；（2）故障連鎖與外部運(yùn)行允許繼電器和伺服OK繼電器的連接；（3）電源模塊與主電路的連接；（4）控制電源與主電路的連接；（5）伺服電機(jī)電源和編碼器反饋輸出與伺服驅(qū)動器的連接；（6）減電流功能的連接。通過以上各部分的連接，能夠使伺服驅(qū)動器控制伺服電機(jī)的運(yùn)動，伺服電機(jī)的相關(guān)運(yùn)動信息通過編碼器及時反饋給伺服驅(qū)動器，再由伺服驅(qū)動器X2接口反饋給數(shù)控裝置，達(dá)到伺服電機(jī)能夠精確執(zhí)行數(shù)控裝置發(fā)給伺服驅(qū)動器的相關(guān)指令。伺服驅(qū)動單元連接框圖如 3.3.5，J2與XS、X2與數(shù)控裝置的連接如圖3.3.6 圖 3.3.5 伺服驅(qū)動器連接圖 圖 3.3.6 J2與XS、X2與數(shù)控裝置的連接 3.4 主控電路的設(shè)計 主電路由外部提供交流380V電源，經(jīng)熔斷接到主電路中，為了防止電路發(fā)生短路時電流電壓過高，還有不頻繁的啟動，電路中要用到空氣開關(guān)?？諝忾_關(guān)是低壓配電網(wǎng)絡(luò)和電力拖動系統(tǒng)中非常重要的一種電器，它集中控制和多種保護(hù)功能于一身。除了能完成接觸和分?jǐn)嚯娐吠?，尚能對電路或電氣設(shè)備發(fā)生的短路．嚴(yán)重過載及欠電壓等進(jìn)行保護(hù)，同時也可以用于不頻繁地啟動電動機(jī)。在正常情況下，過電流脫扣器的銜鐵是釋放著的；一旦發(fā)生嚴(yán)重過載或短路故障時，與主電路串聯(lián)的線圈就將產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁吸力把銜鐵往下吸引而頂開鎖鉤，使主觸點(diǎn)斷開。欠壓脫扣器的工作恰恰相反，在電壓正常時，電磁吸力吸住銜鐵，主觸點(diǎn)才得以閉合。一旦電壓嚴(yán)重下降或斷電時，銜鐵就被釋放而使主觸點(diǎn)斷開。當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常時，必須重新合閘后才能工作，實現(xiàn)了失壓保護(hù)?？諝忾_關(guān)就是利用了空氣來熄滅開關(guān)過程中產(chǎn)生的電弧。伺服變壓器只需要200V的電壓，所以從主電路380V電壓到伺服電源模塊要經(jīng)過伺服變壓器降壓，由于電路中要有頻繁的接通和斷開，所以要用到接觸器。接觸器是用于頻繁的接通與斷開交直流主電路及大容量控制電路的一種自動開關(guān)電器。換刀具時要用到刀具松閥，刀具松閥繼電器KA7得電，其控制的常開觸點(diǎn)KA7閉合，刀具松閥電路得電，刀具松開。當(dāng)主軸潤滑繼電器KA8得電時，其控制的常開觸點(diǎn)KA8閉合，主軸潤滑閥得電開始潤滑。各軸沒有超程時，超程限位開關(guān)SQX-1、SQX-3、SQY-1、SQY-3、SQZ-1、SQX-3處于常閉，此時外部運(yùn)行繼電器KA2得電，其控制的常開觸點(diǎn)KA2閉合。當(dāng)伺服Ok繼電器KA3得電時，其控制的常開觸點(diǎn)KA3也閉合。當(dāng)KA2、KA3兩個繼電器同時得電時，其控制的兩個常開觸點(diǎn)KA2、KA3同時閉合，運(yùn)行允許繼電器KA1得電，其控制的常開觸點(diǎn)KA1閉合，此時伺服強(qiáng)電，主軸強(qiáng)電、液壓電機(jī)線圈得電，開始工作。當(dāng)冷卻啟動繼電器KA6得電時，其控制的常開觸點(diǎn)KA6閉合，冷卻電機(jī)線圈得電，冷卻電機(jī)開始工作。主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)分別由繼電器KA4、KA5控制，當(dāng)繼電器KA4、KA5得電時，其控制的常開觸點(diǎn)KA4、KA5閉合，從而控制的主軸電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。主軸變頻器模塊、液壓電機(jī)、冷卻電機(jī)從380V電源經(jīng)過三相空氣開關(guān)和接觸器接入。其它電路從控制變壓器分別就接入，伺服強(qiáng)電回路經(jīng)控制變壓器AC380V—AC110V接入。照明燈，指示燈分由控制變壓器AC380V—AC24V接入。數(shù)控裝置由控制變壓器AC380V—AC24V接入，為數(shù)控裝置供電。由于主軸閥和刀具松閥要DC24V電源，所以其電源要經(jīng)過控制變壓器AC380V—AC220V，再經(jīng)過開關(guān)電源AC220V/DC24接入。繼電器、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動器、主軸變頻器需要DC24V電源的地方也同上面的路徑接入。伺服電源模塊。伺服驅(qū)動器需220V控制電壓，所以只需控制變壓器AC380—AC220V接入。在上面的兩相電路中為防止短路和欠壓都需接入兩相空氣開關(guān)。電路中有時會產(chǎn)生電火花，發(fā)生安全隱患，所以在電路中要加上RC1—RC3的三相阻容吸收器和RC4—RC7的單相阻容吸收器。主電路和繼電器電路如圖3.4.1和3.4.2所示： 圖3.4.1 主電路圖 圖3.4.2 繼電器接線圖 3.5 輸入輸出開關(guān)量 I/O端子板分輸入端子板和輸出端子板，通常作為HNC—21數(shù)控裝置XS10、XS11、XS20、XS21接口的轉(zhuǎn)接單元使用，以方便連接及提高可靠性。 輸入端子板與輸出端子板均可提供NPN和PNP兩種。 每塊輸入端子板含20位開關(guān)量輸入端子；每塊輸出端子板含16位開關(guān)輸出量輸出端子及急停（兩位）與超程（兩位）端子[20]。輸入接口如圖 3.5.1，其引腳定義如表 3.5.1、3.5.2 圖 3.5.1輸入端子 表3.5.1 XS11引腳定義 引腳號 信號名 標(biāo)號 信號定義 13 I0 X0.0 X軸正向超程限位開關(guān)，常開點(diǎn)，閉合有效； 25 I1 X0.1 X軸負(fù)向超程限位開關(guān)，常開點(diǎn)，閉合有效； 12 I2 X0.2 Y軸正向超程限位開關(guān)，常開點(diǎn)，閉合有效； 24 I3 X0.3 Y軸負(fù)向超程限位開關(guān)，常開點(diǎn)，閉合有效； 11 I4 X0.4 Z軸正向超程限位開關(guān)，常開點(diǎn)，閉合有效； 23 I5 X0.5 Z軸負(fù)向超程限位開關(guān)，常開點(diǎn)，閉合有效； 10 I6 X0.6 A軸正向超程限位開關(guān)，常開點(diǎn)，閉合有效； 22 I7 X0.7 A軸負(fù)向超程限位開關(guān)，常開點(diǎn)，閉合有效； 9 I8 X1.0 X軸回參考點(diǎn)開關(guān)，常開點(diǎn)，閉合有效； 21 I9 X1.1 Y軸回參考點(diǎn)開關(guān)，常開點(diǎn)，閉合有效； 8 I10 X1.2 Z軸回參考點(diǎn)開關(guān)，常開點(diǎn)，閉合有效； 20 I11 X1.3 A軸回參考點(diǎn)開關(guān)，常開點(diǎn)，閉合有效； 7 I12 X1.4 冷卻系統(tǒng)報警，常閉點(diǎn)，斷開有效；（未用） 19 I13 X1.5 潤滑系統(tǒng)報警，常閉點(diǎn)，斷開有效； 6 I14 X1.6 壓力系統(tǒng)報警，常閉點(diǎn)，斷開有效； 18 I15 X1.7 未定義； 5 I16 X2.0 未定義； 17 I17 X2.1 未定義； 4 I18 X2.2 未定義； 16 I19 X2.3 未定義； 3 空 1,2,14, 15 24V地 外部直流24V電源地 XS10外部接線如圖3.5.2，SQX-1、SQX-3、SQY-1、SQY-3、SQZ-1、SQX-3分別為X、Y、Z正負(fù)方向行程開關(guān)，當(dāng)由于誤操作而使某軸超程這時，常開的限位開關(guān)閉合，其繼電器中的常閉觸點(diǎn)斷開，從而切斷動力裝置。SQX-2、SQY-2、SQZ-2為復(fù)位開關(guān)，當(dāng)按下三個按鈕時機(jī)床開始復(fù)位。SQ3、SQ4分別為潤滑液位報警和欠壓報警。 圖3.5.2 XS10外部接線圖 表3.5.2 XS11引腳定義 引腳號 信號名 標(biāo)號 信號定義 13 I20 X2.4 外部運(yùn)行允許，常開點(diǎn)，閉合有效； 25 I21 X2.5 伺服電源準(zhǔn)備好，常開點(diǎn)，閉合有效； 12 I22 X2.6 伺服驅(qū)動模塊OK，常開點(diǎn)，閉合有效； 24 I23 X2.7 電柜空氣開關(guān)OK，常開點(diǎn)，閉合有效； 11 I24 X3.0 主軸報警，常閉點(diǎn)，斷開有效； 23 I25 X3.1 主軸速度到達(dá)，常開點(diǎn)，閉合有效； 10 I26 X3.2 主軸零速，常開點(diǎn)，閉合有效； 22 I27 X3.3 主軸定向完成，常開點(diǎn)，閉合有效；（未用） 9 I28 X3.4 未定義； 21 I29 X3.5 未定義； 8 I30 X3.6